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Biologie · Klasse 12 · Kapitel

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Stoffwechsel und Informationsverarbeitung in der Zelle

EntdeckenDie Frage zum Kapitel

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Schreib eine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Für die Lehrkraft: Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen. Quelle: Lehrbuchwissen: Bau behüllter Viren und Wirkung von Tensiden auf Lipidmembranen

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○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich kann den Bau der Biomembran im Flüssig-Mosaik-Modell erläutern und passiven und aktiven Transport sowie Endo- und Exocytose unterscheiden.

EntdeckenFrage

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen.

MerkenBiomembran und Transport

Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.

Passiver Transport folgt dem Gefälle, aktiver Transport führt mit ATP dagegen.

BeispielTransport durch die Membran

Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
  2. Sauerstoff ist klein und unpolar.
  3. Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
  1. Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
  2. Sauerstoff ist klein und unpolar.
  3. Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
Ergebnis:
Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

So nicht
Die Teilchen wandern in die Zelle, weil die Zelle sie braucht.
So richtig
Die Teilchen bewegen sich zufällig. Netto wandern mehr dorthin, wo weniger von ihnen sind.

Teilchen haben kein Ziel. Die Teilchen stoßen zufällig herum, und netto entsteht ein Ausgleich der Konzentrationen.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    2. Es ist klein und unpolar und folgt seinem Gefälle ins Blut.
    3. Das ist einfache Diffusion ohne Energie.
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. ●2
    Glucose strömt über ein Trägerprotein in eine Leberzelle, weil außen mehr Glucose ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
    2. Ein Trägerprotein hilft nur beim Durchqueren.
    3. Ohne Energie und mit Protein: erleichterte Diffusion.
    Ergebnis:
    Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  3. ★3
    Warum können Zellen der Bauchspeicheldrüse große Mengen Insulin in Sekunden ausschütten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Insulin ist ein großes Protein.
    2. Es wird vorab in Vesikeln gespeichert.
    3. Auf ein Signal hin verschmelzen viele Vesikel gleichzeitig mit der Membran.
    Ergebnis:
    Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.

2Ich kann Diffusion und Osmose erklären und Plasmolyse und Deplasmolyse deuten.

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Diese Lösung ist isotonisch zum Blutplasma. Rote Blutzellen nehmen darin weder Wasser auf noch geben sie welches ab. In reinem Wasser würden sie anschwellen und platzen.

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

Wasser strömt zur Seite mit mehr gelösten Teilchen. In konzentrierter Lösung tritt Plasmolyse ein.

BeispielOsmose und Plasmolyse

Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
  2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
  3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
  1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
  2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
  3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
Ergebnis:
Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.

AchtungRichtung der Osmose verwechselt

So nicht
In Salzlösung strömt Salz in die Zelle, die Zelle schwillt an.
So richtig
In Salzlösung strömt Wasser aus der Zelle heraus, die Zelle schrumpft.

Bei der Osmose bewegt sich das Wasser, nicht der gelöste Stoff. Es strömt netto zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Rote Blutzellen kommen in destilliertes Wasser. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Im Zellinneren sind mehr gelöste Teilchen als im Wasser.
    Lösung zeigen
    1. Im Zellinneren sind mehr gelöste Teilchen als im Wasser.
    2. Wasser strömt netto hinein.
    3. Ohne Zellwand platzen die Zellen.
    Ergebnis:
    Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.
  2. ●5
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  3. ★6
    Kartoffelstäbchen liegen in Salzlösungen von 0 bis 0,5 mol/l. Bei 0,2 mol/l ändert sich ihre Masse kaum. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Massenänderung strömt netto kein Wasser.
    2. Dann ist die Konzentration gelöster Teilchen innen und außen gleich.
    3. Die Lösung ist isotonisch zum Zellsaft.
    Ergebnis:
    Diese Lösung ist etwa isotonisch zum Zellsaft der Kartoffel.

3Ich kann Substrat- und Wirkspezifität von Enzymen erklären und kompetitive und allosterische Hemmung unterscheiden.

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Methanol wird von der Alkoholdehydrogenase zu giftigen Stoffen umgebaut. Ethanol ist ein Konkurrent um dasselbe aktive Zentrum. Solange Ethanol das Enzym besetzt, wird Methanol kaum umgebaut und langsam ausgeschieden.

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

Kompetitive Hemmstoffe besetzen das aktive Zentrum, allosterische verändern die Form des Enzyms.

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ein Enzym wird nicht verbraucht.
  2. Ein Molekül kann tausende Substrate je Sekunde umsetzen.
  3. Deshalb reichen wenige Enzymmoleküle.
  1. Ein Enzym wird nicht verbraucht.
  2. Ein Molekül kann tausende Substrate je Sekunde umsetzen.
  3. Deshalb reichen wenige Enzymmoleküle.
Ergebnis:
Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

So nicht
Nach der Reaktion ist das Enzym aufgebraucht.
So richtig
Das Enzym geht unverändert aus der Reaktion hervor und setzt das nächste Substrat um.

Ein Enzym ist ein Katalysator. Es bindet das Substrat nur kurz, senkt die Aktivierungsenergie und liegt danach unverändert vor.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Enzym katalysiert an seinem Substrat nur eine bestimmte Reaktion, zum Beispiel nur die Abspaltung von Wasserstoff. Welche Eigenschaft ist das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
    Lösung zeigen
    1. Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
    2. Ein Enzym führt am Substrat nur eine Reaktionsart durch.
    3. Das heißt Wirkspezifität.
    Ergebnis:
    Wirkspezifität.
  2. ●8
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das aktive Zentrum hat eine räumliche Form.
    2. Dazu kommen Ladungen, die nur zu bestimmten Gruppen passen.
    3. Nur ein passendes Substrat wird gebunden.
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  3. ★9
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
    2. Tatsächlich passt sich das aktive Zentrum beim Binden an.
    3. Das beschreibt das Modell der induzierten Passform.
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.

4Ich kann die Abhängigkeit der Enzymaktivität von Temperatur, pH-Wert und Substratkonzentration aus Diagrammen ableiten.

EntdeckenFrage

Wie kommt ein Enzym aus einer heißen Quelle in jedes Labor für Erbgutanalysen?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Aus heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark beschrieben Forscher 1969 das Bakterium Thermus aquaticus. Seine DNA-Polymerase arbeitet bei etwa 72 °C am besten und übersteht kurzes Erhitzen auf über 90 °C. Deshalb kopiert sie in der Polymerase-Kettenreaktion DNA, ohne zu denaturieren.

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

Unterhalb steigt die Geschwindigkeit nach der RGT-Regel, oberhalb denaturiert das Enzym.

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
  2. Verändert wird die Substratkonzentration.
  3. Die gemessene Wirkung, die Reaktionsgeschwindigkeit, steht senkrecht.
  1. Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
  2. Verändert wird die Substratkonzentration.
  3. Die gemessene Wirkung, die Reaktionsgeschwindigkeit, steht senkrecht.
Ergebnis:
Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

So nicht
Kälte zerstört Enzyme, Hitze macht sie immer schneller.
So richtig
Kälte verlangsamt Enzyme umkehrbar. Hitze über dem Optimum zerstört die Raumstruktur meist dauerhaft.

Unterscheide: Kälte bremst nur die Teilchenbewegung. Hitze und ein falscher pH-Wert verändern die Raumstruktur, das aktive Zentrum passt nicht mehr.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
    Lösung zeigen
    1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
    2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
    3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
    Ergebnis:
    Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  2. ●11
    Wie lässt sich die Höchstgeschwindigkeit einer gesättigten Enzymreaktion weiter steigern? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. In der Sättigung sind alle aktiven Zentren besetzt.
    2. Mehr aktive Zentren gibt es nur mit mehr Enzym.
    3. Die Höchstgeschwindigkeit steigt mit der Enzymmenge.
    Ergebnis:
    Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  3. ★12
    Zwischen 20 °C und 30 °C verdoppelt sich in einem Versuch die Aktivität, zwischen 40 °C und 50 °C sinkt sie auf ein Viertel. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Unterhalb des Optimums beschleunigt Wärme die Reaktion.
    2. Oberhalb denaturieren immer mehr Enzymmoleküle.
    3. Beide Wirkungen überlagern sich zur Optimumkurve.
    Ergebnis:
    Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.

5Ich kann Redoxreaktionen, Energieumwandlung und das ATP-ADP-System im Stoffwechsel erläutern.

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Ungefähr so viel, wie er wiegt. Im Körper ist zu jedem Zeitpunkt aber nur ein kleiner Vorrat vorhanden. Jedes ATP-Molekül wird deshalb am Tag viele hundert Mal gespalten und neu gebildet.

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

Beim Glucoseabbau landet ein Teil der Energie in ATP, der Rest wird als Wärme entwertet.

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Wird bei der Muskelarbeit Energie verbraucht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Energie bleibt immer erhalten.
  2. Im Muskel wird chemische Energie aus ATP umgewandelt.
  3. Es entstehen Bewegung und Wärme.
  1. Energie bleibt immer erhalten.
  2. Im Muskel wird chemische Energie aus ATP umgewandelt.
  3. Es entstehen Bewegung und Wärme.
Ergebnis:
Nein, chemische Energie wird in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt.

AchtungEnergie als Stoff in der Bindung gedacht

So nicht
Im ATP steckt die Energie in der Phosphatbindung; beim Aufbrechen wird sie frei.
So richtig
Das Spalten einer Bindung kostet Energie. Frei wird Energie, weil die Produkte zusammen energieärmer sind als ATP und Wasser.

Energie wird nicht erzeugt oder verbraucht, sondern umgewandelt. Beim ATP zählt der Unterschied zwischen Ausgangsstoffen und Produkten.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
    Lösung zeigen
    1. Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
    2. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
    3. Glucose wird oxidiert, Sauerstoff am Ende reduziert.
    Ergebnis:
    Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  2. ●14
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt erhalten.
    2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
    3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  3. ★15
    Glucose und Sauerstoff reagieren auch beim Verbrennen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Was unterscheidet die Zellatmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ausgangsstoffe und Produkte sind gleich, also auch die Gesamtenergie.
    2. Die Zellatmung läuft in vielen enzymatischen Schritten.
    3. So wird ein Teil der Energie in ATP übertragen statt nur als Wärme frei.
    Ergebnis:
    Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.

6Ich kann Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette mit Ort und Bilanz erläutern und den Feinbau des Mitochondriums nutzen.

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Nein. Milchsäure ist nach einer harten Belastung innerhalb etwa einer Stunde wieder abgebaut. Muskelkater entsteht erst ein bis zwei Tage später durch winzige Verletzungen in den Muskelfasern, vor allem nach bremsenden Bewegungen wie Bergablaufen.

MerkenZellatmung mit Bilanz

Die Glykolyse läuft im Cytoplasma, alle weiteren Schritte im Mitochondrium.

Je Glucose entstehen etwa 30 bis 32 ATP, die meisten an der Atmungskette.

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
  2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
  3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
  1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
  2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
  3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
Ergebnis:
Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.

AchtungOrt oder Teilschritt der Zellatmung vertauscht

So nicht
Die Glykolyse läuft im Mitochondrium.
So richtig
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma; oxidative Decarboxylierung und Tricarbonsäurezyklus in der Matrix, die Atmungskette an der inneren Membran.

Ordne jeden Teilschritt einem Raum zu: Cytoplasma, Matrix oder innere Mitochondrienmembran. Jede Bilanzzahl gehört zu genau einem Schritt.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    Lösung zeigen
    1. Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    2. Die Glucose wird in zwei Brenztraubensäuren mit je drei Kohlenstoffatomen gespalten.
    3. Netto entstehen 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  2. ●17
    Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
    2. Den größten Teil bilden die Mitochondrien mit Sauerstoff.
    3. Training erhöht ihre Zahl.
    Ergebnis:
    Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  3. ★18
    Cyanid blockiert das letzte Enzym der Atmungskette. Warum stirbt eine Zelle, obwohl genug Glucose und Sauerstoff da sind? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das letzte Enzym überträgt die Elektronen auf Sauerstoff.
    2. Ist es blockiert, staut sich die ganze Kette.
    3. Ohne Protonenpumpen fehlt der Antrieb der ATP-Synthase.
    Ergebnis:
    Die Elektronen erreichen den Sauerstoff nicht; ohne Protonengefälle entsteht kaum ATP.

7Ich kann Ruhepotenzial und Aktionspotenzial erklären und kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung vergleichen.

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Entzündungen zerstören Myelinscheiden in Gehirn und Rückenmark. An diesen Stellen wird die saltatorische Erregungsleitung langsamer oder bricht ab. Je nach Ort zeigen sich Sehstörungen, Taubheitsgefühle oder Lähmungen.

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

Ein Aktionspotenzial folgt dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Markhaltige Fasern leiten saltatorisch und viel schneller als marklose.

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
  2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
  3. Das heißt Depolarisation.
  1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
  2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
  3. Das heißt Depolarisation.
Ergebnis:
Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

So nicht
Ein stärkerer Reiz löst ein höheres Aktionspotenzial aus, das unterwegs schwächer wird.
So richtig
Jedes Aktionspotenzial ist gleich hoch und wird an jeder Stelle neu gebildet. Ein stärkerer Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.

Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Die Reizstärke steckt in der Frequenz, nicht in der Höhe.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
    Lösung zeigen
    1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
    2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
    3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
    Ergebnis:
    Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  2. ●20
    Was besagt das Alles-oder-nichts-Gesetz? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Unter dem Schwellenwert entsteht kein Aktionspotenzial.
    2. Über dem Schwellenwert entsteht ein vollständiges.
    3. Seine Höhe hängt nicht von der Reizstärke ab.
    Ergebnis:
    Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.
  3. ★21
    Bei einer Messung steigt die Spannung nach einem Reiz auf −60 mV und fällt dann ohne Aktionspotenzial zurück. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Eine kleine Depolarisation ohne Spitze ist kein Aktionspotenzial.
    2. Die Schwelle liegt bei etwa −50 mV.
    3. Unterschwellige Reize klingen ab.
    Ergebnis:
    Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.

8Ich kann Bau und Funktion der erregenden chemischen Synapse und der neuromuskulären Synapse erläutern und Stoffeinwirkungen an Synapsen ableiten.

EntdeckenFrage

Wie glättet Botox Falten, wenn es doch eines der stärksten Gifte ist?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Botulinumtoxin verhindert an der motorischen Endplatte die Ausschüttung von Acetylcholin. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft. In winziger Dosis wirkt das nur örtlich und lässt nach einigen Monaten nach.

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

Transmitter öffnen an der Postsynapse Ionenkanäle. Drogen und Medikamente greifen genau dort an.

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

Wie heißt die Membran der Nervenzelle, die den Transmitter ausschüttet? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Prä heißt vor, post heißt nach.
  2. Die Zelle vor dem Spalt schüttet den Transmitter aus.
  3. Deren Membran heißt präsynaptische Membran.
  1. Prä heißt vor, post heißt nach.
  2. Die Zelle vor dem Spalt schüttet den Transmitter aus.
  3. Deren Membran heißt präsynaptische Membran.
Ergebnis:
Präsynaptische Membran.

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

So nicht
Das Aktionspotenzial springt über den synaptischen Spalt.
So richtig
Am Spalt endet das elektrische Signal. Transmitter diffundieren hinüber und lösen an der Postsynapse ein neues Signal aus.

Am synaptischen Spalt wird das Signal chemisch: Transmitter werden freigesetzt, binden an Rezeptoren und öffnen dort Kanäle.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
    2. Die Rezeptoren bleiben offen.
    3. Der Muskel wird dauernd erregt und verkrampft.
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  2. ●23
    Wozu dient die Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin bleibt sonst an den Rezeptoren.
    2. Das Enzym spaltet es in Acetat und Cholin.
    3. Die Kanäle schließen sich, die Erregung endet.
    Ergebnis:
    Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  3. ★24
    Antidepressiva vom Typ der Serotonin-Wiederaufnahmehemmer blockieren den Rücktransport von Serotonin in die Präsynapse. Was folgt im Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Normalerweise holt die Präsynapse Serotonin zurück.
    2. Ist das blockiert, bleibt mehr Serotonin im Spalt.
    3. Die Wirkung an der Postsynapse hält länger an.
    Ergebnis:
    Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●25
    Bei Sauerstoffmangel wird ein Stoff nicht mehr aufgenommen, ein anderer schon. Welcher wird vermutlich aktiv transportiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Sauerstoff bildet die Zelle wenig ATP.
    2. Aktiver Transport hängt von ATP ab.
    3. Passiver Transport läuft weiter, solange ein Gefälle besteht.
    Ergebnis:
    Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  2. ●26
    Was bedeutet „Mosaik“ im Flüssig-Mosaik-Modell? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ein Mosaik besteht aus verschiedenen Teilen in einer Fläche.
    2. In der Membran sind das die Proteine in der Lipiddoppelschicht.
    3. Die Proteine sind nicht starr, sondern beweglich.
    Ergebnis:
    In die Lipiddoppelschicht sind verschiedene Proteine eingelagert wie Steine in ein Mosaik.
  3. ●27
    Wie heißt eine Lösung mit höherer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Hyper heißt über.
    2. Die Außenlösung hat mehr gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Die Außenlösung ist hypertonisch und entzieht der Zelle Wasser.
    Ergebnis:
    Hypertonisch.
  4. ●28
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
    2. Bis dahin steigt die Aktivität mit der Temperatur.
    3. Darüber denaturieren sie, die Kurve fällt.
    Ergebnis:
    Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  5. ●29
    Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Elektronen verschwinden nicht.
    2. Was ein Stoff abgibt, nimmt ein anderer auf.
    3. Oxidation und Reduktion gehören immer zusammen.
    Ergebnis:
    Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  6. ●30
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
    2. Die Pumpen befördern Protonen aus der Matrix nach außen.
    3. Im Intermembranraum entsteht ein Protonenüberschuss.
    Ergebnis:
    Aus der Matrix in den Intermembranraum.

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Biomembran und Transport
Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.
Diffusion und Osmose
Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.
Enzyme und Enzymhemmung
Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.
Enzymaktivität im Diagramm
Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.
Redoxreaktionen und ATP
Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.
Zellatmung mit Bilanz
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma, alle weiteren Schritte im Mitochondrium.
Potenziale und Erregungsleitung
Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.
Synapse und Stoffeinwirkung
Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

So nicht
Die Membran ist eine feste Wand mit Löchern; die Zellwand entscheidet, was hineinkommt.
So richtig
Die Membran ist eine flüssige Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen; die Zellwand ist fest und durchlässig.

Denk an die Lipiddoppelschicht: wasserliebende Köpfe außen, wasserabweisende Schwänze innen, Proteine darin beweglich. Die Zellwand ist ein festes, durchlässiges Netz.

AchtungTransportart verwechselt

So nicht
Ein Kanalprotein ist beteiligt, also ist es aktiver Transport.
So richtig
Entscheidend ist das Gefälle: Mit dem Gefälle ist der Transport passiv, auch mit Protein; gegen das Gefälle ist er aktiv.

Frag zuerst: Geht der Stoff mit oder gegen sein Gefälle? Nur gegen das Gefälle braucht es Energie, ob mit oder ohne Protein.

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

So nicht
Der Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums, also ist es eine kompetitive Hemmung.
So richtig
Bindet er außerhalb und verändert die Form, ist es eine allosterische Hemmung. Kompetitiv heißt Konkurrenz um das aktive Zentrum.

Frag: Wo bindet der Hemmstoff, und hilft mehr Substrat? Konkurrenz um das aktive Zentrum ist kompetitiv, eine andere Bindestelle ist allosterisch.

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

So nicht
Die Kurve steigt, also wird die Reaktion mit mehr Substrat immer schneller.
So richtig
Die Kurve flacht ab: Ab einer bestimmten Substratkonzentration sind alle aktiven Zentren besetzt.

Lies zuerst die Achsen und dann den Verlauf in Abschnitten: Wo steigt die Kurve, wo flacht sie ab, wo fällt sie?

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

So nicht
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird oxidiert.
So richtig
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Der Stoff, der sie abgibt, wird oxidiert.

Merk dir: Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion ist Elektronenaufnahme. Beides geschieht immer zusammen.

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

So nicht
Der eingeatmete Sauerstoff wird zu Kohlenstoffdioxid.
So richtig
Der Sauerstoff nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.

Verfolge die Atome: Der Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid kommt aus der Nahrung. Der Sauerstoff aus der Luft landet im Wasser.

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

So nicht
Aus einer Glucose entstehen 2 ATP.
So richtig
2 ATP sind nur die Nettobilanz der Glykolyse. Beim vollständigen Abbau entstehen etwa 30 bis 32 ATP.

Prüf, welcher Abschnitt gefragt ist. Vollständiger Abbau heißt: alle vier Teilschritte zusammenzählen.

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

So nicht
Im Tricarbonsäurezyklus entstehen 2 Kohlenstoffdioxid je Glucose.
So richtig
2 Kohlenstoffdioxid entstehen je Brenztraubensäure. Aus einer Glucose entstehen zwei Brenztraubensäuren, also 4.

Aus einer Glucose werden zwei Brenztraubensäuren. Alles nach der Glykolyse läuft je Glucose zweimal.

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

So nicht
Beim Aktionspotenzial strömt Kalium ein und Natrium aus.
So richtig
Beim Aktionspotenzial strömt zuerst Natrium ein (Depolarisation), dann Kalium aus (Repolarisation).

Schreib zuerst auf, wo welches Ion in Ruhe überwiegt: Natrium außen, Kalium innen. Offene Kanäle lassen Ionen ihrem Gefälle folgen.

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

So nicht
Das Myelin macht die Leitung langsamer; die Erregung springt von Zelle zu Zelle.
So richtig
Das Myelin isoliert; die Erregung springt innerhalb eines Axons von Schnürring zu Schnürring und ist dadurch schneller.

Saltatorisch heißt: Aktionspotenziale entstehen nur an den Schnürringen. Dazwischen isoliert das Myelin, das spart Zeit und Energie.

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

So nicht
50 cm bei 1 m/s: 50 Sekunden.
So richtig
50 cm sind 0,5 m. 0,5 m : 1 m/s = 0,5 Sekunden, also 500 Millisekunden.

Rechne zuerst alles in Meter und Sekunden um. Die Zeit ist die Strecke geteilt durch die Geschwindigkeit.

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

So nicht
Ein Hemmstoff der Acetylcholinesterase lähmt den Muskel sofort schlaff.
So richtig
Ohne Abbau bleibt Acetylcholin im Spalt; der Muskel ist dauererregt und verkrampft.

Frag: Wo greift der Stoff an, bei Ausschüttung, Rezeptor, Abbau oder Wiederaufnahme? Daraus folgt mehr oder weniger Transmitterwirkung.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich kann den Bau der Biomembran im Flüssig-Mosaik-Modell erläutern und passiven und aktiven Transport sowie Endo- und Exocytose unterscheiden.

    31
    Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.

  2. Ich kann Diffusion und Osmose erklären und Plasmolyse und Deplasmolyse deuten.

    32
    Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Hypotonisch.

  3. Ich kann Substrat- und Wirkspezifität von Enzymen erklären und kompetitive und allosterische Hemmung unterscheiden.

    33
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.

  4. Ich kann die Abhängigkeit der Enzymaktivität von Temperatur, pH-Wert und Substratkonzentration aus Diagrammen ableiten.

    34
    Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.

  5. Ich kann Redoxreaktionen, Energieumwandlung und das ATP-ADP-System im Stoffwechsel erläutern.

    35
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.

  6. Ich kann Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette mit Ort und Bilanz erläutern und den Feinbau des Mitochondriums nutzen.

    36
    Welcher Teilschritt verbindet die Glykolyse mit dem Tricarbonsäurezyklus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die oxidative Decarboxylierung in der Matrix.

  7. Ich kann Ruhepotenzial und Aktionspotenzial erklären und kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung vergleichen.

    37
    Was passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.

  8. Ich kann Bau und Funktion der erregenden chemischen Synapse und der neuromuskulären Synapse erläutern und Stoffeinwirkungen an Synapsen ableiten.

    38
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Lies deine Vermutung vom Anfang. Kannst du die Frage jetzt mit dem Kapitel beantworten?

Auflösung

Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen.

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.
  5. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  6. Diese Lösung ist etwa isotonisch zum Zellsaft der Kartoffel.
  7. Wirkspezifität.
  8. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  9. Das Modell der induzierten Passform.
  10. Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  11. Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  12. Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.
  13. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  14. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  15. Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.
  16. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  17. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  18. Die Elektronen erreichen den Sauerstoff nicht; ohne Protonengefälle entsteht kaum ATP.
  19. Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  20. Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.
  21. Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.
  22. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  23. Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  24. Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.
  25. Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  26. In die Lipiddoppelschicht sind verschiedene Proteine eingelagert wie Steine in ein Mosaik.
  27. Hypertonisch.
  28. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  29. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  30. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  31. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  32. Hypotonisch.
  33. Das Modell der induzierten Passform.
  34. Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  35. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  36. Die oxidative Decarboxylierung in der Matrix.
  37. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  38. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.